光電計數(shù)器設(shè)計與制作

1、目錄TOC o 1-4 h u HYPERLINK l _Toc22528 摘要 PAGEREF _Toc22528 3 HYPERLINK l _Toc27034 第一章 光電轉(zhuǎn)換 Part PAGEREF _Toc27034 6 HYPERLINK l _Toc25933 1.1 光源的基本特性和選擇 PAGEREF _Toc25933 6 HYPERLINK l _Toc27483 1.1.1 熱輻射光源 PAGEREF _Toc27483 6 HYPERLINK l _Toc3501 1.1.2 氣體放電光源 PAGEREF _Toc3501 6 HYPERLINK l _Toc270

2、00 1.1.3 固態(tài)光源 PAGEREF _Toc27000 7 HYPERLINK l _Toc11588 1.1.4 激光 PAGEREF _Toc11588 7 HYPERLINK l _Toc15880 1.2光電探測器8 PAGEREF _Toc15880 HYPERLINK l _Toc12866 1.2.1 光伏探測器原理 PAGEREF _Toc12866 9 HYPERLINK l _Toc16395 1.2.2 光伏探測器特點 PAGEREF _Toc16395 10 HYPERLINK l _Toc32111 1.2.3 快速硅PIN光電二極管 PAGEREF _Toc

3、32111 11 HYPERLINK l _Toc4453 1.3 光電信號輸出 PAGEREF _Toc4453 12 HYPERLINK l _Toc7855 第 2 章 計數(shù)電路 PAGEREF _Toc7855 13 HYPERLINK l _Toc833 2.1 十進制計數(shù)電路設(shè)計 PAGEREF _Toc833 13 HYPERLINK l _Toc14054 2.2 顯示解碼電路設(shè)計 PAGEREF _Toc14054 15 HYPERLINK l _Toc9176 2.3 數(shù)字顯示 PAGEREF _Toc9176 16 HYPERLINK l _Toc398 第三章 光電計數(shù)

4、器電路的安裝與改進 PAGEREF _Toc398 17 HYPERLINK l _Toc1592 3.1 設(shè)備準備 PAGEREF _Toc1592 17 HYPERLINK l _Toc15494 3.1.1 設(shè)備列表表 PAGEREF _Toc15494 17 HYPERLINK l _Toc2909 3.1.2 使用的其他儀器： PAGEREF _Toc2909 18 HYPERLINK l _Toc27496 3.2 電路連接 PAGEREF _Toc27496 18 HYPERLINK l _Toc31330 3.2.1 光電部分 PAGEREF _Toc31330 18 HYPE

5、RLINK l _Toc21009 3.2.2 計數(shù)第 PAGEREF _Toc21009 18節(jié) HYPERLINK l _Toc18270 3.2.3 顯示解碼部分 PAGEREF _Toc18270 19 HYPERLINK l _Toc5081 3.2.4 顯示部分 PAGEREF _Toc5081 19 HYPERLINK l _Toc1264 3.3 電路階躍測試 PAGEREF _Toc1264 20 HYPERLINK l _Toc23304 3.3.1 光電二極管測試 PAGEREF _Toc23304 20 HYPERLINK l _Toc5593 3.3.2 555定時器

6、測試 PAGEREF _Toc5593 20 HYPERLINK l _Toc17031 3.3.3 計數(shù)電路的測試 PAGEREF _Toc17031 20 HYPERLINK l _Toc10187 3.3.4 顯示電路測試 PAGEREF _Toc10187 20 HYPERLINK l _Toc28166 3.4 整體電路調(diào)試 PAGEREF _Toc28166 21 HYPERLINK l _Toc20844 3.5 光電轉(zhuǎn)換電路改進 PAGEREF _Toc20844 21 HYPERLINK l _Toc31845 3.5.1 阻抗匹配改進 PAGEREF _Toc31845 2

7、1 HYPERLINK l _Toc22985 3.5.2 光電計數(shù)器適用性的提高 PAGEREF _Toc22985 22 HYPERLINK l _Toc10483 參考文獻 PAGEREF _Toc10483 24 HYPERLINK l _Toc22269 到 PAGEREF _Toc22269 25概括數(shù)字計數(shù)器以其使用方便、計數(shù)準確、顯示直觀等特點，被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)生產(chǎn)線上的物體計數(shù)。本文采用光電二極管接收激光光源發(fā)出的光信號，通過數(shù)字計數(shù)和顯示電路設(shè)計光電計數(shù)器。當有物體通過光電二極管和激光器之間時，光束被阻擋，光電二極管的電壓發(fā)生變化。信號經(jīng)放大處理后，由計數(shù)電路和LED數(shù)碼

8、管顯示計數(shù)值。光電計數(shù)器可將機械或手動計數(shù)方式轉(zhuǎn)換為電子自動計數(shù)，具有很強的工業(yè)實用性。關(guān)鍵詞：光電二極管、激光器、計數(shù)器、LED數(shù)碼管介紹隨著自動化技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)趨向于越來越自動化。在生產(chǎn)線上，自動化計數(shù)設(shè)備已經(jīng)普及。采用自動化計數(shù)不僅可以提高生產(chǎn)計數(shù)的效率，還可以提高計數(shù)的準確性。對推動工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化有很大的促進作用。隨著生產(chǎn)自動化、設(shè)備數(shù)字化、機電一體化的不斷發(fā)展，行業(yè)對光電計數(shù)器的需求量逐漸增加。因此，光電計數(shù)器的設(shè)計具有重要的現(xiàn)實意義。光電子技術(shù)是一門以光電子學為基礎(chǔ)的課程，將光學技術(shù)、現(xiàn)代微電子技術(shù)、精密機械和計算機技術(shù)緊密結(jié)合，成為利用光獲取光學信息或提取其他信息的重要

9、手段。光電技術(shù)在現(xiàn)代科技、經(jīng)濟、軍事、文化、醫(yī)學等領(lǐng)域發(fā)揮著極其重要的作用。以此為支撐的光電產(chǎn)業(yè)是當今世界競相發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，是競爭激烈、發(fā)展最快的信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)。主力。隨著光電技術(shù)的飛速發(fā)展，半導體激光器、千萬像素的CCD和CMOS固態(tài)圖像傳感器、PIN和APD光電二極管、液晶顯示器在工業(yè)和民用領(lǐng)域隨處可見。熱成像技術(shù)也已廣泛應(yīng)用于軍事和工業(yè)領(lǐng)域。場地。光電技術(shù)不斷滲透到國民經(jīng)濟的方方面面，成為信息社會的支撐技術(shù)之一。光電計數(shù)器主要分為光電檢測轉(zhuǎn)換部分和電子顯示部分。光電傳感器是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的器件，其工作的理論基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)大致可分為三種：第一種是外部光電效應(yīng)，在光的照射下使

10、電子從材料表面逸出；第二類是光電效應(yīng)，在光的照射下改變材料的電阻率；第三種是光伏效應(yīng)，物質(zhì)在光的照射下產(chǎn)生電動勢。實現(xiàn)轉(zhuǎn)換的器件主要有光電二極管、光電晶體管、光電倍增管、光電雪崩管等。光電計數(shù)器的工作原理是從光源發(fā)出集中的平行有效光。在流水線上，每出現(xiàn)一個物體，光就會被擋一次。受光器無法接收到光源信息，電路的光電流會降低。發(fā)生變化，信號處理后計數(shù)器計數(shù)一次，即通過一個設(shè)備。光電計數(shù)器常用于統(tǒng)計成品數(shù)量和參展人數(shù)。隨著計數(shù)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，出現(xiàn)了多種輔助計數(shù)功能。該多功能計數(shù)器具有響應(yīng)度高、功耗低、交直流兩種電源均可工作、無機械碰撞、無磨損、成本低等特點。還根據(jù)實際工作環(huán)境增加了很多個性化功

11、能，比如羊毛生產(chǎn)線上的斷線報警功能。通用計數(shù)器不僅可以測量頻率和周期，還可以測量多周期平均值、時間間隔、頻率比和累積。由于光電計數(shù)器設(shè)計理念的不斷創(chuàng)新，光電計數(shù)器的功能也在不斷發(fā)展。在電子計數(shù)器行業(yè)需求增長放緩的市場環(huán)境下，光電計數(shù)器需要大力開發(fā)新產(chǎn)品以滿足客戶的不同需求，提高產(chǎn)品的性價比，以獲得更好的市場效益。光電轉(zhuǎn)換部分1.1 光源的基本特性和選擇光源在科學研究和工程技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用。在成分分析、結(jié)構(gòu)研究、光電檢測、照明設(shè)計等方面，某些類型的光源是密不可分的。因此，為了滿足各種高科技工作的實際需要，人們生產(chǎn)出了各種具有不同光學特性和結(jié)構(gòu)特點的光源。在光電技術(shù)系統(tǒng)中，光源通常起著關(guān)鍵作用

12、。因此，了解光源的基本特性參數(shù)，然后根據(jù)實際工作需要選擇合適的光源，是我們成功設(shè)計光電系統(tǒng)和解決光電檢測問題的關(guān)鍵之一。光源的基本特性參數(shù)主要包括輻射效率和發(fā)光效率、光譜功率分布、空間光強分布、光源色溫、光源顏色等。在選擇光源時，會考慮以下基本要求： 1、對光源光譜特性的要求； 2、對光源發(fā)光強度的要求； 3、對光源穩(wěn)定性的要求； 4、對光源其他方面的要求。這種設(shè)計不需要使用特殊的光源，所以選擇是基于幾種常見光源的基本特性：1.1.1 熱輻射光源熱輻射光源是根據(jù)物體的熱輻射現(xiàn)象制造的。熱輻射光源具有三個特點： 1、通過普朗克公式可以準確估算其發(fā)光特性，即可以準確掌握和控制其發(fā)光或輻射特性； 2

13、.它們發(fā)出的光通量形成一個連續(xù)的光譜，光譜的圓周很寬，因此適應(yīng)使用。但在常溫下，紫外線和可見光的含量非常少，限制了這類光源的使用范圍； 3、采用適當?shù)姆€(wěn)壓或恒流電源，可使該類光源的光輸出高度穩(wěn)定?；ㄙM。1.1.2 氣體放電光源采用這種氣體放電原理制成的光源成為氣體放電光源。蜜蜂在電場的作用下激發(fā)氣泡殼的氣體或金屬氣體中的電子和離子。電子和離子從電場中獲得能量，分別向陰極和陽極移動。當與氣體原子或分子碰撞時，會激發(fā)出新的電子和離子，從而引起原子的激發(fā)，被激發(fā)的原子回到較低的能級時會發(fā)出輻射，這就是氣體放電的原理。與白熾燈相比，具有發(fā)光效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長、對光色適應(yīng)性強等特點，因此具有很強的

14、競爭力，被廣泛應(yīng)用于光電技術(shù)和照明工程。1.1.3 固態(tài)光源固體在電場作用下直接將電能轉(zhuǎn)化為光能的發(fā)光現(xiàn)象稱為電致發(fā)光，又稱電致發(fā)光。電子儀器的固化和小型化，對新型成像技術(shù)和照明技術(shù)的需求，以及半導體材料、集成技術(shù)和光電技術(shù)的發(fā)展，極大地加速了電致發(fā)光光源的研究和應(yīng)用，不僅使人們獲得了完全固化的光源，為全固化顯示開辟了道路。目前，常見的EL有粉末、薄膜和結(jié)三種形式。具有電致發(fā)光能力的固體材料很多，但達到實際應(yīng)用水平的主要是II-VI和III-V族化合物半導體。 II-VI族化合物不僅是發(fā)光效率高的光致發(fā)光和陰極發(fā)光材料，也是目前實際應(yīng)用中唯一的粉末和薄膜電致發(fā)光材料。 III-V族發(fā)光材料廣泛

15、用于發(fā)光二極管。1.1.4 激光激光器一般由工作物質(zhì)、諧振腔和泵浦源組成。當高能離子從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)并產(chǎn)生輻射時，它在穿過受激原子時會產(chǎn)生同相同頻的輻射。當這些輻射波沿兩個平面形成的諧振腔來回傳播時，沿軸來回反射的次數(shù)最多，會激發(fā)出更多的輻射，從而放大輻射能量。這樣，受激和放大的輻射可以通過部分投影的平面鏡輸出到腔外，從而產(chǎn)生激光。 1圖1顯示了激光器的工作原理。泵浦源泵浦源激光激光部分反射鏡全反射部分反射鏡全反射鏡圖 1. 激光的工作原理目前，已有數(shù)百種激光器研制成功。輸出波長范圍從近紫外到遠紅外，輻射功率范圍從幾毫瓦到幾萬瓦。一般按工作物質(zhì)分類，激光器可分為氣體激光器、固體激光器、染料

16、激光器和半導體激光器等。氣體激光器有多種激發(fā)方式和最寬的發(fā)射波長。固態(tài)激光器使用的工作物質(zhì)是一種具有特殊能力的優(yōu)質(zhì)光學玻璃或光學晶體，其中摻雜有具有發(fā)射激光能力的金屬離子。染料激光器使用燃料作為其工作物質(zhì)。半導體激光器的工作物質(zhì)是半導體材料。本實驗要求光源能發(fā)出足夠強度的集中可見光，因此采用半導體激光器作為光源。半導體激光器是一類以半導體材料為工作物質(zhì)的激光器。由于材料結(jié)構(gòu)的不同，產(chǎn)生激光的具體過程比較特殊。常用的材料有砷化鎵（GaAs）、硫化鎘（CdS）、磷化銦（InP）、硫化鋅（ZnS）等。激發(fā)方式有電注入、電子束激發(fā)和光泵浦三種。半導體激光器件可分為同質(zhì)結(jié)、單異質(zhì)結(jié)和雙異質(zhì)結(jié)。同質(zhì)結(jié)激光

17、器和單異質(zhì)結(jié)激光器在室溫下多為脈沖器件，而雙異質(zhì)結(jié)激光器在室溫下可以連續(xù)工作。半導體激光器的工作原理是激發(fā)法，利用半導體物質(zhì)（即電子）在能帶之間躍遷發(fā)光，利用半導體晶體的解理面形成兩個平行的鏡面作為鏡面來形成諧振腔，使光發(fā)生振蕩、反饋和輻射光。產(chǎn)生光的輻射被放大，并輸出激光。半導體激光器的優(yōu)點是體積小、重量輕、工作可靠、功耗低、效率高。圖 2. 半導體激光器的結(jié)構(gòu)與普通光源相比，激光具有光束集中、亮度高等優(yōu)點，因此本設(shè)計采用激光代替普通光源。1.2 光電探測器光電探測器是將輻射能轉(zhuǎn)化為電信號的裝置，是光電系統(tǒng)的核心部件。它在光電系統(tǒng)中的作用是發(fā)現(xiàn)信號、測量信號并提取一些必要的信息以供后續(xù)應(yīng)用。

18、光電探測器根據(jù)探測機理的物理效應(yīng)可分為兩類：一類是利用各種光子效應(yīng)的光子探測器，一類是利用溫度變化效應(yīng)的熱探測器。由于光源使用的是可見光半導體激光器，因此檢測器使用光子檢測器。光子探測器可分為四種：光電子發(fā)射效應(yīng)也稱為光電效應(yīng)。入射輻射的作用是使電子從光電陰極表面發(fā)射到周圍空間，從而產(chǎn)生光電子發(fā)射。利用光電子發(fā)射效應(yīng)的探測器稱為光電子發(fā)射探測器，包括真空光電池、充氣光電池和光電倍增管。光電導是應(yīng)用最廣泛的光電效應(yīng)。被光子激發(fā)的載流子留在材料部分，所以光電導是一種光電效應(yīng)。利用光電導效應(yīng)的檢測器是光電導檢測器。1.2.1 光伏探測器原理光伏效應(yīng)是另一種廣泛使用的光電效應(yīng)，它是半導體受光照射而產(chǎn)生

19、電動勢的現(xiàn)象。盡管外在光伏效應(yīng)也是可能的，但幾乎所有實用的光伏探測器都使用本征光伏效應(yīng)。同時使用了一個pn結(jié)來達到這個效果。當入射光子在pn結(jié)處產(chǎn)生電子-空穴對時，光生載流子受到勢壘區(qū)電場的影響，電子漂移到n區(qū)，空穴漂移到p區(qū)。如果p區(qū)和n區(qū)在外電路短路，就會產(chǎn)生反向短路信號電流。如果外電路開路，光生電子和空穴將分別在n區(qū)和p區(qū)積累，并在兩端產(chǎn)生電動勢，如圖3所示，稱為光伏效應(yīng)。圖 3. pn 結(jié)上的光激發(fā)無光時，若對PN結(jié)施加適當?shù)姆聪螂妷?，反向電壓會加強電場，加寬PN結(jié)的空間電荷區(qū)，增加勢壘；載流子被增強的電場拉開，光生電子被拉到N區(qū)，光生空穴被拉到P區(qū)，從而形成以少數(shù)載流子漂移運動為主的

20、光電流。圖4是Altium Designer 07 Winter軟件繪制的光電二極管工作電路圖，對光電二極管施加15V的反向偏置電壓。經(jīng)過仿真得到結(jié)果：無光照時，負載上的輸出電壓為低電平，有光照時，負載輸出電壓為高電平。圖 4. 光電二極管工作電路圖與普通二極管相比，光電二極管的受光面更大，PN結(jié)面積更大，PN結(jié)深度更淺；表面有抗反射SiO2保護層，外加負偏壓。其實并不是不能施加正向電壓，而是正極接后和普通二極管一樣，只是單向?qū)щ姡槐憩F(xiàn)出光電效應(yīng)。1.2.2 光伏探測器特點光電二極管的基本特性是照明特性、伏安特性、溫度特性和頻率特性。(1) 照明特性照度特性主要反映光電流與照度的關(guān)系。圖5是

21、光電流和照度的特性圖。從圖5可以看出，兩者的關(guān)系是：線性好；光電流小；靈敏度低。圖 5. 15V 反向偏壓下的照度特性曲線(2) 伏安特性光電二極管的伏安特性可以參考下圖，反向偏壓與光電流呈線性關(guān)系。圖 6. 光電二極管的伏安特性曲線(3) 溫度特性光電二極管的溫度特性描述了作為溫度函數(shù)的光電流和暗電流的特性。隨著硅光電二極管的溫度升高，信噪比降低。(4) 頻率特性光電二極管的頻率特性在所有半導體光電器件中名列前茅。這主要是由于光電二極管的結(jié)電容?。ㄐ∮?0F）；光生載流子在薄層中的擴散時間和在PN結(jié)中的漂移時間很短，因此響應(yīng)頻率可以很高。1.2.3 快速硅PIN光電二極管本實驗使用的光電二極

22、管為 GT106 快速硅 PIN 光電二極管。光電二極管的主要特點是響應(yīng)度高，響應(yīng)速度特別快；噪音低，性能穩(wěn)定可靠。PIN結(jié)光電二極管在p型和n型半導體之間增加了一個本征區(qū)，它的表面做得很薄，使入射輻射穿透到本征區(qū)被吸收，產(chǎn)生電子-空穴對。本征區(qū)的電場將電子-空穴對分開，并迅速穿過本征區(qū)，分別進入n區(qū)和p區(qū)。該器件的頻率響應(yīng)和效率優(yōu)于相同材料制成的pn結(jié)光電二極管。圖 7. PIN 光電二極管結(jié)構(gòu)GT106型快速硅PIN光電二極管采用硅PIN外管復合結(jié)構(gòu)。為了保證極快的響應(yīng)速度，采用背面刻蝕的方法使I層盡可能的薄。這樣，當載流子高速通過漂移區(qū)時，它們被外電路中的電極收集，產(chǎn)生光電流。外管用于將

23、慢速光生載流子短路，從而達到快速響應(yīng)的目的。GT106快速硅PIN光電二極管的光譜響應(yīng)曲線如圖8所示。圖 8. PIN 光電二極管的光譜響應(yīng)曲線1.3光電信號輸出實現(xiàn)光信號對電路的控制，即光電二極管持續(xù)點亮，有物體通過時遮光，輸出一次低電平，計數(shù)器計數(shù)一次。光電轉(zhuǎn)換電路需要控制計數(shù)器的時鐘輸入來產(chǎn)生矩形脈沖波。經(jīng)測試，GT106光電二極管的光電流在微安級。因此，在偏置電路中加一個1M歐姆的負載電阻，可以在無光時在負載電阻上輸出低電平，在有光時在負載電阻上輸出低電平。高水平。但負載上的輸出與計數(shù)器所需的時鐘信號相反，所以將負載的輸出接555定時器，然后控制計數(shù)器。555定時器是一種多用途數(shù)?；旌?/p>

24、集成電路，可以很容易地構(gòu)成施密特觸發(fā)器、多諧振蕩器或單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。下面是555的引腳圖和功能表。圖 9. 555定時器的管腳圖及功能表I1和I2輸入端連在一起作為信號輸入端，可以得到施密特觸發(fā)器。施密特觸發(fā)器的輸出電壓 0從高電平變?yōu)榈碗娖?，與從低電平變?yōu)楦唠娖綄?yīng)的 I也不同，從而形成了施密特觸發(fā)器的觸發(fā)特性。施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性是滯后的。傳輸特性圖如下：圖 10. 施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性根據(jù)以上分析，設(shè)計了一種光電轉(zhuǎn)換電路。使用仿真軟件繪制電路圖。第 2 章 計數(shù)電路2.1 十進制計數(shù)電路設(shè)計光電計數(shù)器需要對光電信號脈沖進行計數(shù)。 TTL 器件 74160 可用于實現(xiàn)十進制計數(shù)。

25、實現(xiàn)兩位數(shù)計數(shù)，低位計數(shù)會自動進行到10。總計數(shù)達到99后，會跳轉(zhuǎn)，從0開始計數(shù)。用兩個160組成一個計數(shù)電路。 74160的1號管腳懸空，2號管腳為時鐘輸入信號，3、4、5、6號管腳為預置數(shù)字端，可懸空可接零， 7號腳ENP和10號腳ENT只有接高電平后電路才能工作在計數(shù)狀態(tài)。引腳 11、12、13 和 14 是輸出信號端，引腳 15 是進位輸出端。當計數(shù)器產(chǎn)生進位時，它會自動輸出一個高電平。 74161的功能表如表1所示：表 1. 四位同步十進制計數(shù)器 74160 功能表RDLD外星人EP操作模式大號XXXRESET（清除）清除H大號XXLOAD (Pn Qn) 組數(shù)HHHH計數(shù)（增量）H

26、H大號XNO CHANGE（保持）保持（不變）HHX大號NO CHANGE（保持）保持（不變）使用protues軟件繪制電路圖，然后進行仿真。計數(shù)部分的電路圖如圖11所示：圖 11. 計數(shù)電路圖最初的設(shè)計方案是將低位 160 進位輸出連接到高位時鐘輸入。仿真時發(fā)現(xiàn)當計數(shù)達到9時，進位輸出會輸出一個信號，導致高位提前計數(shù)。修改電路，在低位輸出信號為0000時輸出一個進位脈沖。具體實現(xiàn)方法是在Q 0 Q 1 Q 2 Q 3端加一個NOT門，然后經(jīng)過四輸入AND門，然后將其作為高位計數(shù)器的時鐘信號。修改后對電路進行仿真，在計數(shù)器的四個輸出端增加一個示波器。波形輸出如圖12所示。波形輸出檢測正常，為二

27、進制計數(shù)。圖 12. 計數(shù)器輸出波形仿真結(jié)果2.2 顯示解碼電路設(shè)計計數(shù)電路的計數(shù)結(jié)果需要通過譯碼器連接到顯示電路。解碼器的邏輯功能是將每個輸入的二進制代碼翻譯成相應(yīng)的輸出高、低電平信號或其他代碼。常用的解碼器電路有二進制解碼器、二進制十進制解碼器和顯示解碼器。由于需要使用七段共陰極顯示數(shù)顯解碼管，因此計劃使用顯示解碼器7448。7448的附加控制臺的功能和用法如下：燈管測試輸入LT：LT=0，驅(qū)動的數(shù)碼管7段可以同時點亮，檢查修改后的數(shù)碼管各段是否能正常發(fā)光。通常，LT 應(yīng)設(shè)置為高電平。過零輸入RBI：設(shè)置過零輸入信號RBI的目的是關(guān)閉不希望顯示的零。滅燈輸入/滅零輸出 BI/RBO：雙功能

28、輸入/輸出端子。當作為輸入端使用時，就變成了關(guān)燈輸入控制端。當控制信號為0時，可以轉(zhuǎn)動被驅(qū)動的數(shù)碼管。每個段同時熄滅。調(diào)零輸入端和調(diào)零輸出端配合使用，可以實現(xiàn)大多數(shù)數(shù)顯系統(tǒng)的調(diào)零控制。7448的顯示功能表如表2所示：表 2：用7448驅(qū)動數(shù)碼管，用protues軟件畫出電路圖如圖13所示：圖 13. 顯示解碼電路2.3 數(shù)字顯示計數(shù)器數(shù)據(jù)經(jīng)過解碼器后可在數(shù)碼管上顯示。為了直觀地表示數(shù)值，本實驗采用七段字符顯示器，或七段數(shù)碼管。這個字符顯示是由七個發(fā)光線段拼接而成的。其中，比較常見的七段字符顯示器是半導體數(shù)碼管和液晶顯示器。半導體數(shù)碼管的外形圖如圖14所示。這種數(shù)碼管的每一條線段都是一個發(fā)光二極

29、管（Light Emitting Diode，簡稱LED），所以也叫LED數(shù)碼管或LED七-段顯示。圖 14 七段數(shù)碼管外形圖發(fā)光二極管所用的材料不同于普通的硅二極管和鍺二極管，包括砷化鎵、磷化鎵和砷化鎵磷，而且半導體中的雜質(zhì)濃度很高。當施加正向電壓時，大量空穴和電子在擴散過程中復合，部分電子從導帶躍遷到價帶，將多余的能量以光的形式釋放出來，可以產(chǎn)生可見光光。數(shù)碼管有共陰極和共陽極兩種。一起制成的陰極屬于共陰極型，一起制成的陽極稱為共陽極型。為了增加使用的靈活性，相同規(guī)格的數(shù)碼管一般有共陰極和共陽極兩種供用戶選擇。具有管腳分布的數(shù)碼管等效電路圖如下：圖 15. 數(shù)碼管等效電路圖及引腳半導體數(shù)碼

30、管步進具有工作電壓低、壽命長、體積小、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，而且響應(yīng)時間很短（一般不超過0.1us），發(fā)光亮度也高，這很容易識別。使用仿真軟件仿真后，數(shù)碼管顯示的數(shù)值如圖16所示，其中紅色引腳代表高電平，藍色引腳代表低電平。圖 16. 數(shù)碼管模擬顯示結(jié)果第三章光電計數(shù)器電路的安裝與改進3.1 設(shè)備準備3.1.1 設(shè)備列表表表3設(shè)備名稱零件號評論光電二極管GT106型快速硅PIN光電二極管感應(yīng)波長 4001100nm電源直流電源15V1電容10uF1滑動變阻器200k_ _1反抗1M_ _1柜臺SN74LS161AN2顯示解碼器SN74LS247N2邏輯與門SN74HC08N1邏輯非門HD74HC04

31、P1七段LED數(shù)碼管SM21052555定時器CB55513.1.2 使用的其他儀器：數(shù)字電路實驗箱1個，萬用表1個，半導體激光筆1個，電線數(shù)條。3.2 電路連接3.2.1 光電部分設(shè)備的連接是按照預先設(shè)計好的電路進行的。首先連接光電轉(zhuǎn)換電路。向光電二極管施加 15V 的反向偏置電壓。由于PIN管有3個管腳，位于中間的是1號管腳，接正電壓。與1號腳平行，右側(cè)為2號腳，1、2為管子，2號腳通過負載電阻與電源相連。 3腳為外管，通過負載電阻接地。連接光電二極管時，注意復合管外管的極性，管負載接信號輸出。電壓的極性不能接錯，最大反向偏壓不能大于或等于擊穿電壓。負載使用 1M 電阻。負載電阻的輸出接5

32、55定時器的2號腳，2號腳和6號腳相連； 1號管腳接地； 4號腳為頻閃工作口，接高電平；引腳懸空； 7號腳懸空； 8號腳接高電平。3.2.2 計數(shù)部分原電路設(shè)計的計數(shù)部分是用74LS160十進制計數(shù)器實現(xiàn)的，但實驗室沒有74LS160，所以改用SN74LS161AN。 74LS161 是一個十六進制計數(shù)器。計數(shù)方法與74LS160相同，但基數(shù)不同。數(shù)到99后跳轉(zhuǎn)，需要改變電路，用兩片74LS161實現(xiàn)100系統(tǒng)計數(shù)。具體方法是：一塊74LS161作為低位，另一塊作為高位。使用歸零方法更改基數(shù)。當?shù)臀挥嫈?shù)器的輸出狀態(tài)為 1010 時，它被復位并重新開始計數(shù)。輸出 Q3Q1 通過與非門連接到置零端

33、 RD。然后將RD通過非門連接到高位計數(shù)器的時鐘輸入端CLK，作為時鐘信號輸入。當?shù)臀惠敵鲞_到9時，輸出一個時鐘信號，高位計數(shù)器啟動，開始計數(shù)，實現(xiàn)進位功能。高位計數(shù)器通過與非門將輸出信號Q3Q0與置零端RD相連，保證計數(shù)到99時計數(shù)器跳變，重新從1開始計數(shù)。3.2.3 顯示解碼部分實驗使用SN74LS247N作為顯示解碼器。 SN74LS247N的管腳編號及零件結(jié)構(gòu)如圖17所示：圖17.74LS247管腳號及零件結(jié)構(gòu)圖從圖中可以看出，74LS247的管腳和功能與7448相同，所以74LS247的連接可以參考原設(shè)計電路圖。將低位74LS247的RBO端連接到高位74LS247的RBI端，實現(xiàn)高

34、低位解碼。3.2.4 顯示部分顯示器采用實驗室現(xiàn)有的LED七段數(shù)碼管SM2105。 SM2105是共陽極數(shù)碼管。參照其工作電路，將數(shù)碼管的第3、8腳接正極+5V電壓，a、b、c、d、e、f、g的7個顯示段端口通過1000-接地歐姆電阻。同時連接到74LS247對應(yīng)的a、b、c、d、e、f、g端口。小數(shù)點輸入端口 DP 保持打開狀態(tài)。測試數(shù)碼管的顯示功能，將低電平分別接在a、b、c、d、e、f、g端口，看對應(yīng)的顯示段是否亮。經(jīng)測試，數(shù)碼管各段均可正常顯示。3.3 電路分步測試3.3.1 光電二極管測試斷開后續(xù)電路，只留下光電二極管的偏置電路，測試光電二極管能否正常工作。將萬用表調(diào)到歐姆檔，測量光

35、電二極管的正反向電阻。理論上是正向?qū)?，響?yīng)電阻無窮大，處于截止狀態(tài)。然后將萬用表調(diào)到電壓測量檔位，選擇量程為5V。測量負載的 1M 歐姆電阻兩端的電壓。用 HeNe 激光筆照亮光電二極管的光窗。無光時，二極管截止，測得電壓很?。挥泄鈺r電壓接近5V。用邏輯筆測量。無燈時，邏輯筆顯示低電平，綠燈亮；有燈時，邏輯筆顯示高電平，紅燈亮。證明光電二極管能正常工作，光電轉(zhuǎn)換電路連接正確。3.3.2 555定時器測試555定時器具有脈沖整形功能。電路設(shè)計要求555定時器在輸入為低電平時輸出高電平，在輸入為高電平時輸出脈沖波形的低電平。因此，將定時器輸入口的2號腳接高電平，輸出端的3號腳接邏輯筆。此時邏輯筆

36、的綠燈亮，表示輸出為低電平。再講2腳接地或接-5V電壓，邏輯筆紅燈亮，表示輸出與AND變?yōu)楦唠娖?。由此?55定時器可以正常工作。3.3.3 計數(shù)電路測試計數(shù)電路獨立于光電轉(zhuǎn)換解碼顯示電路進行測試。將計數(shù)器低電平集成塊74LS161的時鐘輸入端，即2號腳接實驗盒自帶的脈沖信號，調(diào)整輸入頻率為1KHz。計數(shù)器的輸出端共有8個引腳，按從高到低的順序分別連接到實驗箱的8個邏輯電平顯示燈。當輸入為高電平時，顯示屏燈會發(fā)光。打開實驗箱電源，自動輸入脈沖。可以看到顯示燈從00000001開始計數(shù)，顯示00001001后，高電平開始計數(shù)，下一狀態(tài)為00010000。計數(shù)值為10011001后，下一值跳轉(zhuǎn)，再

37、次開始計數(shù)。表示計數(shù)電路能正常工作，基極接線正確。3.3.4 顯示電路測試計數(shù)電路之前已經(jīng)測試過，所以可以用計數(shù)電路測試顯示電路。連接計數(shù)電路和顯示電路，然后將時鐘脈沖連接到低位計數(shù)器的時鐘輸入端，觀察數(shù)顯管的數(shù)值。顯示管的數(shù)字從1開始數(shù)到99，然后跳到1再數(shù)。數(shù)碼管低位左下角的時鐘處于關(guān)閉狀態(tài)。經(jīng)檢查，由于e口與74LS247的連接線松動，一直沒有信號輸入。更換導線后，重新測試。數(shù)碼管從1開始顯示，一直到99后跳轉(zhuǎn)，再從1開始顯示。沒有亂碼和熄燈現(xiàn)象，顯示部分工作正常。3.4 整體電路調(diào)試將電路的各個部分連接起來，將連續(xù)的激光照射到光電二極管的光窗上。打開實驗盒的電源，理論上這個時候應(yīng)該是沒

38、有顯示的。關(guān)閉光源開關(guān)，顯示應(yīng)變?yōu)?1，但實際上數(shù)碼管不正常顯示。電路工作不正常，需要檢查。斷開實驗箱電源，檢查各接口線是否有松動現(xiàn)象。確認線材連接牢固后，排除接觸不良的可能，測量電路參數(shù)。計數(shù)部分是數(shù)字電路，前面的測試沒有問題。因此只需要測量光電部分。使用萬用表測量負載兩端的電壓。光電部分不接計數(shù)部分和顯示部分時，電壓仍為正常的高低電平值。但是，當光電部分作為輸出連接到后續(xù)電路時，負載上的電壓立即發(fā)生變化。給光電二極管加光后，負載電壓只有輕微的變化，高低電平之間沒有明顯的分界線。因此，對于555定時器來說，這個微小的電壓變化不足以讓555定時器交替輸出高低電平，計數(shù)器也無法接收到脈沖信號，所

39、以不會產(chǎn)生計數(shù)值。我們來分析一下造成這種現(xiàn)象的原因。光電轉(zhuǎn)換部分單獨工作時工作正常，但接上計數(shù)顯示電路時不能正常輸出?？紤]到本實驗使用阻性負載上的電壓作為信號源輸出，當接上后級電路時，相當于接了一個電路模塊與1M歐電阻并聯(lián)，后級電路模塊的總電阻為遠小于1M歐姆，這與負載電阻不同。并聯(lián)后阻值會降低，相當于光電二極管的負載只有10K左右，光電二極管的光電流極小，在微安量級。負載降低后，光生電壓只有毫伏量級，不足以控制555定時器。因此，考慮到光電轉(zhuǎn)換部分的高電阻，需要對電路進行修改。3.5 光電轉(zhuǎn)換電路的改進3.5.1 阻抗匹配改進為了不改變光電二極管的負載，只能避開后續(xù)電路的電阻。 555定時器的輸出端和選通端RD之間只有幾個邏輯門。 555定時器的三個5K歐電阻不接電路，不會影響二極管的負載。因此，負載輸出可以接RD直接控制555定時器的啟動和關(guān)閉。 555高電平開啟，低電平關(guān)閉。理論要求有光時不計數(shù)，發(fā)生光遮擋時計數(shù)一次，即輸出低電平時產(chǎn)生時鐘信號，高電平停止計數(shù)。 555 定時器需要在啟動時只產(chǎn)生一個時鐘輸入。根據(jù)以上要求，555定時器可外接低頻